航空碳纤维复材料无损检测技术综述

航空碳纤维复材料无损检测技术 综述

周松蔚 ,邹秀明 ,王桂芳 ,王达

（中航通飞华南飞机工业有限公司，珠海 519000）

摘要：碳纤维复合材料作为主承力件在航空领域应用广泛，对其生产质量和运行状况进行无损监控就显得尤为重要。因碳纤维复合材料的特殊性，其无损检测技术不同于常规金属材料的检测，本文详述了航空碳纤维复合材料的主要结构特征及其主要缺陷类型，根据结构特点及缺陷类型确定相应的无损检测方法，并介绍了一些无损检测新技术在航空碳纤维复材检测中的应用。

关键词：航空碳纤维复合材料；无损检测；超声检测；射线检测；

1 引言

碳纤维复合材料因其质量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、可塑性强等特性，被广泛应用于各行各业^[1]，其在航空领域的应用比例也在逐年增加，根据统计，小型商务机和直升飞机的碳纤维复合材料用量已占55%左右，军用飞机占25%左右，大型客机占20%左右^[2]。随碳纤维复合材料的制作工艺的进步，其在飞机上的应用从最初的如舱门、口盖、前缘、整流罩等尺寸较小的非主承力部件逐步扩大到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中^[3]。因此为保证飞机的质量安全，对飞机中碳纤维复合材料主承力件的生产质量、运行状况进行无损监控就显得尤为重要。

碳纤维复合材料因其选用不同的材料体系、结构设计及成型工艺，导致复合材料与以往常规金属材料结构件在无损检测方法存在较大差异^[4]。首先碳纤维复合材料导电性较差，这就决定了金属检测中常用的涡流检测法无法使用，其次复合材料为非磁性材料，则磁粉检测无法使用，因复合材料多为内部缺陷，所以也无法使用渗透检测技术。五大常规无损检测方法只有超声检测与射线检测适用于复合材料检测。

但又因航空碳纤维复合材料制作件的特殊性，如其存在最薄0.8mm，最厚30mm层压板的检测，以及R角特殊结构，并且复合材料在拐角区的铺贴过程中可能留有空隙，最终在结构R角区固化形成架桥缺陷，而对于薄板，常规的超声波探伤仪和探头处于超声波检测盲区，难以对薄板中的分层、夹杂缺陷进行检测，以及机翼上蜂窝结构板的胶粘缺陷，常规脉冲反射超声法难以检测以及复合材料特有孔隙问题等^[5]。正因上述航空碳纤维复合材料的种种特殊性，使得其对无损检测提出了更高的检测要求。需要根据复合材料的不同结构、不同缺陷类选择合适的无损检测方法相并制定相应的无损工艺^[6]。

2 缺陷分类及检测方法选择

航空碳纤维复合材料可分为层压板结构件、夹心结构件以及二次胶接结构件，其中夹心结构件又分为蜂窝夹心结构和泡沫夹层结构。

• 层压板结构中的主要缺陷及其定义如下所示：

• 分层：是由层间应力或制造缺陷引起的复合材料铺层之间的脱胶。

• 孔隙：是指固化过程中，复合材料内所截留的空气或气体。

• 疏松：是指成群的弥散性孔隙缺陷。

• 夹杂：是指制造过程中无意带进制件中的杂质，如颗粒、芯片、薄膜等。

• 架桥：是指一个或多个铺层在跨越圆角或台阶等处时与其它铺层制件未完全贴合的情况。

• 贫胶：是指复合材料制件中树脂含量不足。

• 富胶：是指复合材料中树脂含量过多，是一种树脂堆积现象。

• 针眼：零件表面的宽度深度大小整齐的小坑。

• 裂纹：零件表面基体损伤或纤维撕裂。

• 擦伤和刮痕：零件表面浅刻痕，沟槽。

• 褶皱：一层或多层纤维出现波纹，折痕。

图1 机翼大梁内部缺陷实物图 图2 孔隙缺陷金相图

如图1所示，为机翼大梁实验件的剖面图，图中目视可见层压板内部的分层缺陷及孔隙缺陷。图2所示为金相显微镜观察下的层压板内部孔隙缺陷形貌，图中绿色点状物即为孔隙。

• 蜂窝夹心结构中的主要缺陷及其定义如下：

• 蒙皮缺陷：指蜂窝夹心结构件的上、下蒙皮内的缺陷，主要包括分层、夹杂缺陷，其具体定义参考层压板结构件缺陷定义。

• 蜂窝脱粘：指蜂窝芯与上、下蒙皮之间的脱粘。

• 节点脱开：是指相邻蜂窝格子之间节点脱粘或分离。

• 芯格鼓胀：是指蜂窝格子鼓胀变形（通常呈圆形）。

• 夹芯皱折：是指在使用过量胶黏剂的情况下，由于蒙皮厚度突变引起芯子局部压塌的现象。

• 夹芯起皱：是指沿孔格高度方向或者其他方向出现格壁皱纹的现象。

• 夹芯扭曲：是指蜂格在其全长或部分长度上不再是六角形或蜂格与正规的蜂格方向不平行。

• 夹芯压缩：是指芯格在任意方向被压缩到小于正常间距的三分之一时相应边仍基本保持平行的现象。

图3 蜂窝脱粘缺陷实物图

图3所示，即为蜂窝夹心结构中典型的蜂窝脱粘缺陷。造成的原因是蜂窝芯与蒙皮之间的胶接不紧密。

• 复合材料泡沫夹层结构缺陷：复合材料泡沫夹芯结构缺陷只考虑夹层结构中层压板缺陷和层压板与泡沫芯胶接缺陷，不考虑泡沫芯本身缺陷。

• 二次胶接件指的是两个成型工件胶接组合成一个整体的工件，其有层压板与层压板之间的胶接，以及层压板与夹心结构件之间胶结两种形式，该结构件缺陷形式主要表现为两个工件胶接面上的开胶缺陷。

根据以上缺陷的定义及其所处结构位置，分析得其检测方法如下表所示。

表1 复合材料各结构及其缺陷检测方法选择

如表上所述，飞机的主承力件基本为层压板结构件，层压板结构件主要采用超声检测法，其主要检测缺陷为层压板内部缺陷，如分层、夹杂、孔隙、疏松等，这些缺陷也是层板内结构件的主要缺陷，而对于一些表面缺陷，如针眼、裂纹、擦伤刮痕等表面裂纹则采用目视检测。

蜂窝夹心结构和泡沫夹心结构件主要应用于飞机机翼和机舱部位，采用该结构件可在保证机体强度的同时，减小机体的重量。其中蜂窝夹心结构件的主要缺陷包括蒙皮缺陷、蜂窝脱粘以及一些蜂窝芯本身的缺陷，对于蒙皮缺陷的检测，其与层压板结构件的检测一样，主要通过超声法检测，蜂窝脱粘缺陷的检测，则采用超声、射线检测法为主，敲击检测法为辅的检测方式。

泡沫夹心结构件的检测与蜂窝夹心结构一致，即以超声、射线检测为主，敲击检测为辅，但泡沫芯结构件中只考虑夹层结构中层压板缺陷和层压板与泡沫芯胶接缺陷，不考虑泡沫芯本身缺陷，二次胶接结构件的主要检测其胶接部分可能产生的开胶缺陷，检测方法采用超声和射线检测。

3 无损检测新方法应用

随着无损检测技术的研究，在五大常规无损检测的基础上发展出一些新的无损检测方法，相比于传统方法，各种新的无损检测方法对于碳纤维复合材料的检测都具有其独特的检测优势。

（1）相控阵超声检测技术

相控阵的概念起源于雷达天线电磁波技术，超声相控阵最早仅用于医疗领域。近年来，随着微电子、计算机等新技术的快速发展，超声相控阵逐渐被应用于工业无损检测领域。超声相控阵本质仍是超声检测方法的一种拓展，是采用由一组相互独立的压电晶片制成的阵列换能器对被检测物进行无损检测，通过设置换能器中各压电晶片阵列的发射/接收延迟时间控制合成声束的偏转角度和聚焦深度，实现二维/三维区域的扫描检测，是解决复杂结构工件/试件高精度检测的有效途径。相控阵的优点表现为：通过控制声束的偏转和聚焦，不需更换探头即可完成对复杂型面构件的高分辨率检测，通过优化合成声束的控制方法，可获得更高的缺陷定量精度，且其特有的线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等工作方式可在不移动或少移动探头的情况下对零件进行高效率检测。因此较传统的单晶片超声检测，超声相控阵的声束更灵活、检测速度更快、分辨率更高、更适用于形状复杂的零部件检测。

图4 层压板结构实验件（分层缺陷）相控阵超声检测结果图

（2）非接触空气耦合超声检测

非接触空气耦合超声检测技术是在常规超声检测基础上发展出的新方法，其与常规超声相比最大的不同是其不需要采用耦合剂，直接通过空气耦合。常规的超声检测方法一般使用水、油类等作为检测的耦合剂，这类耦合剂会使某些复合材料试件受潮或变污，甚至会沿缺陷渗入试件内部，影响试件的力学性能和机械性能等，因此，常规的超声检测技术对于陶瓷、蜂窝夹芯、泡沫夹芯等多孔渗水类复合材料适用性较差，另一方面常规的超声检测需要与工件接触，常久检测，不仅易造成传感器表面的损耗，同时也会对一些特殊工件表面造成磨损。非接触空气耦合超声检测的出现很好地填补了这方面的缺憾，以空气作为检测耦合剂的空气耦合超声检测，能够很好地摆脱材料和环境的限制，实现完全非接触的超声检测，研究表明该方法对层压板结构中的分层、夹杂、疏松、孔隙、开胶等缺陷和损伤的检测，以及蜂窝夹芯结构件中的蒙皮脱粘、部分蜂窝芯缺陷的检测都有较好的检测效果。

图6 蜂窝结构件（脱粘缺陷）检测结果图

（3）红外热成像检测技术

红外热成像无损检测技术是国际上正积极发展的新型数字化无损检测技术，与超声法、射线法等传统无损检测方法相比，具有单次检测面积大、速度快、非接触、安全可靠及适于现场检测等优点。其对于复合材料板壳中的分层、脱粘、夹杂、受撞击等缺陷具有较好的检测效果。

目前，红外热成像无损检测技术主要有红外脉冲法。红外脉冲法无损检测技术是利用瞬时高能量热流脉冲在材料中的传递和反射，由于缺陷的存在而使材料表面形成温度分布差异进而确定材料内部缺陷特征。但该技术的应用具有一定的局限性，即要求构件表面具有一定的完整性和光滑性，否则易造成表面加热不均匀而无法获得缺陷的准确信息，若构件表面为曲面时很难获得缺陷的准确信息。红外相位法无损检测技术将红外热成像检测技术与数字锁相技术相结合。由于检测信号具有相位延迟且相位图所含信息比幅值图多，因而能够获得更多的缺陷信息。

图10 蜂窝结构件（脱粘缺陷）检测结果图

（4）数字射线检测技术

数字射线检测技术（digital imaging in radiology，简称DR)是由传统射线检测技术发展而来一种新的无损检测技术。相比较于传统的射线检测技术，二者主要不同点在于：数字射线检测技术采用辐射探测器代替胶片完成射线信号的探测和转换，并采用图像数字化技术，获得数字检测图像。因此，数字射线检测技术可以运用数字图像处理技术改善图像质量，且数字图像结果更利于数据信息的保存和再查看，同时节约检测成本。

4 小结

根据航空碳纤维复合材料的结构特点，可将其分为层压板结构件、蜂窝夹心结构件、泡沫夹心结构件以及二次胶接结构件。其中层压板结构件主要缺陷为分层、夹杂、孔隙等内部缺陷，其采用超声法进行检测，另外其还存在一些针眼、裂纹、褶皱等表面缺陷则采用目视检测。蜂窝夹心结构件的主要缺陷为蒙皮内部缺陷以及蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷，其中蒙皮内部缺陷与层压板结构件检测方式一样，主要采用超声检测，而蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷则通常先采用敲击法进行辅助初检，再用超声检测法或射线检测法进行详细定量检测，对于蜂窝夹心结构件内部的蜂窝芯缺陷则主要采用射线检测法。泡沫夹心结构件的无损检测通常只考虑检测上下蒙皮内部缺陷以及蒙皮与泡沫芯之间的脱粘缺陷，而不需要考虑泡沫芯本身缺陷，因此其检测与蜂窝夹心结构件一样，采用敲击法初检脱粘缺陷，再用超声法或射线法定量缺陷大小。胶接结构件则主要采用超声、射线法检测其胶接面的开胶缺陷。

通过一些无损检测新方法的应用研究表明，相控阵检测技术对于大平面结构件和曲率半径较大的工件具有高效快捷的检测优势。非接触空气耦合超声检测技术可以实现智能化、机械化的无损检测，减小人为检测误差的影响，同时保护传感器，因检测结果直接生成工件完整的C扫图，对于后期的缺陷分析和数据回顾非常方便，特别是非接触空气耦合超声检测技术因为直接采用空气作为耦合剂，可以避免耦合剂对某些特殊工件造成的影响。实际测试表明红外热成像检测技术和数字射线检测技术对于复合材料的检测也都具有良好的检测效果，且相比于传统方法都具有一定的检测优势。

参考文献

1. 《新航空概论》编写组. 新航空概论. 北京：航空工业出版社，2010.

2. 樊星.碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势[J].化学工业. 2019,37(04):12-16.

3. 赵云峰等.航天先进结构复合材料及制造技术研究进展[J].宇航材料工艺. 2021,51(04):29-36.

4. 杨玉娥等.碳纤维复合材料的无损检测综述[J].济南大学学报(自然科学版). 2015,29(06):471-476.

5. 陈贤洮等.碳纤维复合材料孔隙率的超声评价方法研究[J].机械强度. 2018,40(06):1330-1335.

6. 赵洪宝等.航空用碳纤维复合材料典型缺陷无损检测技术研究[J].电子制作. 2020(24):35-37.

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